Bioeletricidade

Como é que os neurónios comunicam?
O axónio constitui a parte do
neurónio que conduz um sinal
eléctrico chamado potencial de
acção.

A resistência à condução elétrica é extremamente elevada!!
1 cm = 80000km de fio condutor!!

esistência por unidade de área (R m ): 40 ohm.m2 axónio mielinizado
esistência por unidade de área (R m ): 0.2 ohm.m2 axónio não mielinizado
Fator espacial

Resistência à condução nervosa
R cn = ρl
πr 2
Resistência de fuga pela membrana
R f = R m
2πrl
Qual a distância λ para a qual as duas resistências são iguais?

axónio mielinizado: λ = 0,7 cm
axónio não mielinizado: λ = 0,05 cm
Num axónio mielinizado o impulso pode propagar-se numa maior
distância sem necessidade de amplificação

-70

Fluxo
? ?
I c – fluxo devido ao gradiente de concentração
I p – fluxo devido ao gradiente de potencial elétrico
E – campo elétrico

Equação de Nernst
A equação de Nernst relaciona a diferença de potencial
com a diferença de concentração em equilíbrio:
V i - V o = (kT/Ze) ln (C o /C i )
e = carga do electrão
Z = valência do ião
k = constante de Boltzmann
T = temperatura
Ci (Co) = concentração no interior (exterior) membrana

Aplicação da Equação de Nernst
ião
Ex (mol/l)
In (mol/l) Potencial de Nernst
Na + 150 15 0.0267 ln(150/15) =
+ 61.5 mV
K + 5 150 0.0267 ln(5/150) =
- 90.8 mV
Cl - 125 10 -0.0267 ln(125/10) =
- 67.5 mV

Aplicação da Equação de Nernst
ião
Ex (mol/l)
In (mol/l) Potencial de Nernst
Na + 150 15 0.0267 ln(150/15) =
+ 61.5 mV
K + 5 150 0.0267 ln(5/150) =
- 90.8 mV
Cl - 125 10 -0.0267 ln(125/10) =
- 67.5 mV

Conceitos importantes de eletricidade
- Lei de Coulomb

Conceitos importantes de eletricidade
- Campo elétrico
- Linhas de força do campo elétrico:

Conceitos importantes de eletricidade
- Campo elétrico entre duas superfícies carregadas
E o = 4k e π Q A
− Q A
+ Q A

Conceitos importantes de eletricidade
- Constante dielétrica
Constante dielétrica

Conceitos importantes de eletricidade
- Relação entre ∆Ve
E
∆V = ∆U q
∆U = W = F × d = E × q × d
∆V = E × d
∆V ∶ Variação do potencial elétrico
∆U : Variação da energia potencial elétrica
d ∶ Distância entre as superfícies carregadas
(espessura da membrana)

Conceitos importantes de eletricidade
- Condensador

Considerando
Cm = 0,01F/m 2 (axónio não mielinizado)
Um potencial de membrana em repouso de -70mV
• Qual a densidade dos aniões em excesso junto à superfície
interior da membrana?
• Qual a fração do total de aniões no interior do axónio que
estão em excesso junto à superfície para termos esse ΔV?
(considere o raio do axónio de 10μm)

Conceitos importantes de eletricidade

A membrana é análoga a um
condensador, caracterizada por uma
capacidade de armazenar de energia.
Análogo
elétrico
R
I 2
I
I = I 1 + I 2
I 1

Potencial de acção

Potencial de acção

Canal de potássio

Bomba de sódio / potássio

CONDUÇÃO DO POTENCIAL DE AÇÃO
- - - + + + - - - - - - - - - - - - - -
action
potential
cytoplasm
- - - + + + - - - - - - - - - - - - - -
1 ms
50
mV

ACTION POTENTIAL CONDUCTION
- - - + + + - - - - - - - - - - - - - -
action
potential
cytoplasm
- - - + + + - - - - - - - - - - - - - -
1 ms
50
mV

ACTION POTENTIAL CONDUCTION
- - - + + + - - - - - - - - - - - - - -
action
potential
cytoplasm
- - - + + + - - - - - - - - - - - - - -
1 ms
50
mV

ACTION POTENTIAL CONDUCTION
- - - - - - - + + + - - - - - - - - - -
action
potential
cytoplasm
- - - - - - - + + + - - - - - - - - - -
1 ms
50
mV

ACTION POTENTIAL CONDUCTION
- - - - - - - + + + - - - - - - - - - -
action
potential
cytoplasm
- - - - - - - + + + - - - - - - - - - -
1 ms
50
mV

Período refratário
• qualquer estímulo para gerar potencial de ação é inútil,
pois os canais de sódio estão em estado inativo
(período refratário absoluto)
• limita a freqüência de potenciais de ação
• promove a unidirecionalidade da propagação do
potencial de ação

Velocidade de propagação do potencial de ação

Propagação do sinal no axónio bem descrito pela equação desenvolvida
para simular a propagação do sinal no telégrafo transatlântico (1855)
τ δV
δt = λ δ2 V
δx 2 − V
Axónio não mielinizado
v =
Raio
4ρ axoplasma C m 2 R m

Axónio não mielinizado
v =
Raio
4ρ axoplasma C m 2 R m
Axónio não mielinizado
Axónio mielinizado

Transporte membranar

Permeabilidade da membrana(cm/s)

Modelos de transporte: Transporte passivo e transporte ativo
Gradiente electroquímico: potencial elétrico e gradiente de concentração
Canais: transporte passivo

Gradiente electroquímico
Combinação do gradiente de potencial químico
(concentração) com o gradiente de potencial elétrico

Exemplo de transporte ativo: bomba de sódio e potássio

Ciclo da bomba de Na + -K +

Eficiência energética da bomba de Na + -K +
• O trabalho realizado pela enzima no transporte ativo dos iões:
F é a constant de Faraday
96 485.3329 C /mol
• A energia livre da hidrólise do ATP, ΔG

Sobreposição dos locais de ligação do K +
e Na + suporta o
modelo de transporte sequencial
Interruptor do C-terminal
A hélice aM10 tem 3 argininas que a tornam
carregada positivamente; estas atuam como um sensor
de potencial. O movimento da aM10 propaga-se às
duas tirosinas do C-terminal que interagem com a
aM5 (“puxam/empurram”) com consequências na
afinidade do Na + .

Canal de transporte de iões
1. seletivo, 2. Fechado ou aberto

Canal de potássio
Seletividade relativamente ao Na + pode chegar aos 10000,
K + 0.133nm, Na + 0.095 nm !!!???

O filtro seletivo

Canal de potássio sensível ao potencial:
4 cópias
Cada cópia tem 6 hélices a
Parte central do canal constituída
pelas hélices 5 e 6 e pelo
segmento H5 entre elas
extracellular space
N
cytosol
H5
+
1 2 3 4 5 6
+
C

KcsA K + channel: two views
PDB 1J95
O filtro seletivo constitui a parte mais estreita do canal e
determina qual é o catião que consegue passar.
Estudos de mutagénese revelam que o segmento H5 é
essencial para a seletividade ao K + .

KcsA K + channel: two views
PDB 1J95
• H5 inclui a sequência (Thr-Val-Gly-Tyr-Gly) conservada
em todos os canais K + . Esta sequência forma o filtro (a
preto)

Quando o K + entra no canal, as
águas de hidratação são
substituidas pelos O dos
carbonilos do filtro.
Dentro do filtro existem
4 locais de ligação do K +
delimitados por
5 aneis de átomos de O.
Cada anel tem 4 Oxigénios, um
de cada subunidade.
KcsA K + channel: side view
Cada K + interage com 8 oxigénios.

KcsA K + channel: side view
As estruturas cristalográficas
mostram 4 K + ligados mas…

K + & H 2 O passam alternadamente no canal.

Sensibilidade ao potencial:
extracellular space
H5
+
1 2 3 4 5 6
+
N
cytosol
C
Helices 1-4 contituem o domínio sensível ao potencial,
Sem este domínio, perde-se a sensibilidade ao potencial
A hélice 4 assume importância especial.

Sensibilidade ao potencial:
extracellular space
H5
Na hélice 4, em cada 3
resíduos um é Arg ou Lys.
N
+
1 2 3 4 5 6
+
cytosol
C
Quando potencial varia, a hélice 4
muda de posição.
H
H 3 N + C H
H 3 N + C COO − COO −
+
C NH
+
2 NH 3
NH 2
CH 2
CH 2
CH 2
NH
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
arginine lysine

O movimento da hélice 4 está relacionado com a abertura e
fecho do canal de K + .
Os K + estão presentes nos canais fechados, o canal fecha
perto do citosol, impedindo a passagem.

a. Dendrite
b. Soma
c. Núcleo
d. Axónio
e. Bainha de mielina
f. Célula de Schwann
g. Nódulo de Ranvier
h. Axónio terminal
Quando a terminação do axónio de um neurónio estabelece
ligações com as dendrites ou corpo celular de um outro
neurónio, as membranas modificam-se e formam uma sinapse
Neurotransmissão
• Sinapses químicas e elétricas

Tipos de sinapses:
• Químicas
A chegada do potencial de ação aos terminais pré-sinápticos leva
à abertura de canais de cálcio.
O influxo do cálcio leva a que vesículas contendo
neurotransmissores migrem para a superfície da célula e libertem
o seu conteúdo.
Neuron A (transmitting) to neuron B (receiving).
1. Mitochondria;
2. Synaptic vesicle with neurotransmitters;
3. Autoreceptor
4. Synapse with neurotransmitter released
(serotonin);
5. Postsynaptic receptors activated by
neurotransmitter (induction of a postsynaptic
potential);
6. Calcium channel;
7. Exocytosis of a vesicle;
8. Recaptured neurotransmitter.

Tipos de sinapses:
• Elétricas
Condução do sinal mais rápida
do que as químicas
Transferência direta de
corrente elétrica entre a célula
pré-sináptica e a pós-sináptica.
Úteis quando a velocidade e a
precisão na transmissão do
impulso são fundamentais,
como, por exemplo, no
músculo cardíaco

Sistema de condução elétrica
e
músculo cardíaco

dois tipos de células no músculo cardíaco:
• os cardiomiócitos, células musculares com a capacidade de
se contraírem facilmente (99%), e
• as células marca-passo do sistema condutor, situadas no
nódulo sinusal ou sinoatrial.

Pacemaker potentials (Potenciais marca-passo)
Potenciais de ação sem estímulo externo
Nos animais, a contração do músculo cardíaco é iniciada por impulsos
elétricos denominados potenciais de ação cardíacos.
O ritmo a que são gerados estes impulsos controla o ritmo da contração
cardíaca.
As células que produzem estes impulsos rítmicos e controlam o ritmo
cardíaco são denominadas células marca-passo.
Na maior parte dos mamíferos, estas células concentram-se no nódulo
sinoatrial.

Pacemaker potentials (Potenciais marca-passo)
Na+

HCN channels também chamados Pacemaker channels ou
Funny channels
Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide–gated (HCN)
channels
integral membrane proteins that serve as nonselective voltagegated
cation channels in the plasma membranes of heart

The current through HCN (“Funny”) channels plays a key role in the
control of cardiac and neuronal rhythmicity and is called the
pacemaker current.
Binding of cyclic nucleotides lowers the threshold potential of HCN
channels.